CN113013606A - 基于基片集成波导可调控阵列天线和终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于基片集成波导可调控阵列天线，包括上层介质基板和下层介质基板，上层介质基板上表面和下表面分别覆有第一金属层和第二金属层，上层介质基板上设置有第一金属化通孔，第一金属化通孔沿上层介质基板的边缘分布形成一个封闭阵列框，第一金属化通孔贯穿第一金属层、上层介质基板、第二金属层形成一个基片集成波导腔体，基片集成波导腔体包括设置在腔体内多列基片集成波导，上层介质基板上开设有贯穿上层介质基板多列缝隙单元，多列基片波导通过缝隙单元向外辐射信号。本发明通过采用馈入缝隙阵列，对波束控制的自由度更高，大大的减小了天线的整体尺寸，降低了波束可调控天线的造价成本，拓展了波束可调天线在更多场景应用的可能性。

Description

基于基片集成波导可调控阵列天线和终端

技术领域

本申请涉及电磁微波技术领域，尤其涉及基于基片集成波导可调控阵列天线和终端。

背景技术

电磁波领域中，天线可以看作是一种变换器，它可以将传输线上的导行波转换成自由空间中的电磁波，同样的也可将电磁波转换成导行波。因此在现代无线通信系统中，只要涉及对电磁波的应用，不管是利用电磁波传递信息，还是利用电磁波传输能量，天线作为一种转换媒介，始终都是不可或缺的一部分。一般来说天线本身具有可逆性，遵从互易定理，即既可以当作发射天线也可以当作接收天线，且作为发射或者接收天线的性能是一样的。然而随着技术的不断革新及迭代，天线的应用场景越来越广泛，倒逼到对天线自身的性能要求及功能要求也就越来越高，比如实现对天线波束的扫描。

在以往的波束调控方式中，主要采用对定向天线加配机械转台或者人工转动实现天线波束指向性的变化，效率不高且精度不够。也有发展到相控阵天线，通过改变相控阵天线中辐射单元的馈电相位从而实现波束的扫描切换，然而不管是通过传输线馈电还是空间馈电，天线整体的结构都十分的复杂，不仅增加了潜在问题发生的可能性，并且整体的成本非常的高。

发明内容

本申请针对上述问题，提出物联网终端升级策略的方法。

为了解决上述技术问题中的至少一个，本申请提出如下技术方案：

第一方面，本发明提供基于基片集成波导可调控阵列天线，包括上层介质基板和下层介质基板，所述上层介质基板叠置在所述下层介质基板上，所述上层介质基板上表面和下表面分别覆有第一金属层和第二金属层，所述上层介质基板上设置有第一金属化通孔，所述第一金属化通孔沿所述上层介质基板的边缘分布形成一个封闭阵列框，所述第一金属化通孔贯穿所述第一金属层、上层介质基板、第二金属层并与第一金属层、第二金属层共同围成一个基片集成波导腔体，所述基片集成波导腔体包括设置在所述腔体内的多列基片集成波导，所述上层介质基板上开设有贯穿第一金属层、上层介质基板、第二金属层的多列缝隙单元，所述多列基片波导通过所述缝隙单元向外辐射信号，所述下层介质基板的下表面设置有直流偏置线，所述直流偏置线连接有直流偏置网络。

在一些实施方式中，所述基片集成波导腔体内设置多列第二金属化通孔，所述第二金属化通孔贯穿所述第一金属层、上层介质基板、第二金属层并与第一金属层、第二金属层形成多列所述基片集成波导。

在一些实施方式中，每个所述缝隙单元中留置有矩形金属片，每个所述矩形金属片的两侧均通过Pin二极管与第一金属层连接，所述Pin二极管在所述矩形金属片两侧对称放置，每个所述矩形金属片中心处设置有贯穿所述上层介质基板和下层介质基板的第三金属化通孔，所述直流偏置线和所述第三金属化通孔相连。

在一些实施方式中，所述第二金属层上还设置有圆形缝隙，所述圆形缝隙的圆心轴与所述矩形金属片上的第三金属化通孔的圆心轴共线。

在一些实施方式中，所述直流偏置线上还设置有扇形结构。

在一些实施方式中，在所述每列基片集成波导的入口端设置有短路销钉，用于调节天线整体的反射系数。

在一些实施方式中，还包括微带匹配线和SMA接头，所述上层介质基板的上表面设置有微带匹配线，用于连接SMA接头。

在一些实施方式中，所述上层介质基板1和下层介质基板2采用Rogers4350B板材，相对介电常数为3.6。

第二方面，本发明提供一种终端，包括：

如第一方面中任一项所述的可调控阵列天线。

本申请的有益效果是：本发明通过采用馈入缝隙阵列，并通过1分N致使每一个缝隙单元的相位产生差别，在对波束调控中产生第一种自由度，而后在缝隙单元留置开关二极管，通过控制二极管的开关来控制缝隙对外辐射能量的状态，由此产生波束调控的第二种自由度，通过优化调试产生所需方向上波束指向。对比传统的波束调控的方法，本发明对波束控制的自由度更高，类同于将“移相器”和“天线”巧妙的结合在一起，在具备能够更加多样、更加精准的控制天线波束的同时，大大的减小了天线的整体尺寸，降低了波束可调控天线的造价成本，拓展了波束可调天线在更多场景应用的可能性。

另外，在本申请技术方案中，凡未作特别说明的，均可通过采用本领域中的常规手段来实现本技术方案。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为天线整体结构示意图；

图2为天线整体结构另一角度的结构示意图；

图3为上层介质基板俯视图；

图4为上层介质基板仰视图；

图5为下层介质基板俯视图；

图6为下层介质基板仰视图；

图7为天线单元层面结构效果示意图；

图8为二极管放置效果示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

实施例1：

如图1－8所示，基于基片集成波导可调控阵列天线，包括上层介质基板1和下层介质基板2，上层介质基板1叠置在下层介质基板2上，上层介质基板上表面和下表面分别覆有第一金属层3和第二金属层4，上层介质基板1上设置有第一金属化通孔，第一金属化通孔沿上层介质基板1的边缘分布形成一个封闭阵列框，第一金属化通孔5贯穿第一金属层3、上层介质基板1、第二金属层4并与第一金属层3、第二金属层4共同围成一个基片集成波导腔体7，基片集成波导腔体7包括设置在腔体内的多列基片集成波导，上层介质基板1上开设有贯穿第一金属层3、上层介质基板1、第二金属层4的多列缝隙单元6，多列基片波导通过缝隙单元6向外辐射信号，下层介质基板2的下表面设置有直流偏置线12，直流偏置线12连接有直流偏置网络13。如图1所示，下层介质基板主要用于直流偏置，直流偏置线12上还设置有扇形结构14。

在本实施例中，基片集成波导腔体7内设置多列第二金属化通孔71，第二金属化通孔71贯穿第一金属层3、上层介质基板1、第二金属层4并与第一金属层3、第二金属层4形成多列基片集成波导。

具体的，每个缝隙单元6中留置有矩形金属片8，每个矩形金属片8的两侧均通过Pin二极管9与第一金属层3连接，Pin二极管9在矩形金属片8两侧对称放置，每个矩形金属片8中心处设置有贯穿上层介质基板1和下层介质基板2的第三金属化通孔10，直流偏置线12和第三金属化通孔10相连，多列缝隙单元6中的第三金属化通孔10形成金属化通孔阵列。

具体的，如图所示，所述第二金属层4上还设置有圆形缝隙17，所述圆形缝隙的圆心轴与所述矩形金属片上的第三金属化通孔10的圆心轴共线。因此，第二金属层4设置与第三金属化通孔10同圆心的圆形缝隙17，可以通过圆形缝隙与地进行隔开，避免出现短路的现象。

如图6所示，在本实施例中，采用8列基片集成波导，天线有4×8阵元，阵列单元的三维构造如图7所示，阵列单元内包括金属化通孔阵列，金属化通孔阵列由多列第二金属化通孔形成，每相邻两列的第二金属化通孔之间设置缝隙单元阵列，缝隙单元阵列有多列缝隙单元组成，每个缝隙单元中留置有矩形金属片8，在缝隙单元两侧焊接Pin二极管9，连接方式如图5所示。每个矩形金属片8的两侧均通过Pin二极管9与第一金属层3连接，Pin二极管9在矩形金属片8两侧对称放置，矩形金属片8中心处设置有贯穿上层介质基板1以及下层介质基板2的第三金属化通孔，直流偏置线12和第三金属化通孔相连，金属化通孔阵列由第三金属化通孔组成。

具体的，在每列基片集成波导的入口端设置有短路销钉11，用于调节天线整体的反射系数。

具体的，还包括微带匹配线15和SMA接头16，上层介质基板1的上表面设置有微带匹配线15，用于连接SMA接头16。

如图8所示，上层介质基板1和下层介质基板2采用Rogers4350B板材，相对介电常数为3.6。上下两层介质基板可以采用呈现阶梯型的结构，厚度皆为0.762mm，在缝隙单元上跨接Pin二极管，由此，通过控制Pin二极管的开关控制缝隙单元的辐射状态，完成天线波束的调控。

第二方面，本发明提供一种终端，如第一方面中的调控阵列天线。例如，终端可以是智能手机，计算机，平板设备，物联网设备，可穿戴设备等。终端可以包括如前述任一实施例的天线。

本发明的原理：本发明采用行波馈电，通过设计谐振式缝隙天线，开设缝隙单元，在缝隙单元上加载Pin二极管，并通过控制板加偏置电压至直流偏置网络上，从而能使控制二极管的开断从而控制缝隙单元的辐射状态，由此，可以通过缝隙单元的开关，导致此缝隙单元后的缝隙单元幅度及相位上产生变化，从而实现波束的切换效果；

同时，采用行波馈电方式使得天线单元的位置及间距自由可调，并实现天线波束扫描；

缝隙单元本身的相位幅度变化调控波束的方式，较于传统相控阵天线直接省去了移相器，使得整体的造价以及尺寸得到大幅度的优化。

需要说明的是：上述本说明书实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、设备及存储介质的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于基片集成波导可调控阵列天线，其特征在于，包括上层介质基板(1)和下层介质基板(2)，所述上层介质基板(1)叠置在所述下层介质基板(2)上，所述上层介质基板上表面和下表面分别覆有第一金属层(3)和第二金属层(4)，所述上层介质基板(1)上设置有第一金属化通孔，所述第一金属化通孔沿所述上层介质基板(1)的边缘分布形成一个封闭阵列框，所述第一金属化通孔(5)贯穿所述第一金属层(3)、上层介质基板(1)、第二金属层(4)并与第一金属层(3)、第二金属层(4)共同围成一个基片集成波导腔体(7)，所述基片集成波导腔体(7)包括设置在所述腔体内的多列基片集成波导，所述上层介质基板(1)上开设有贯穿第一金属层(3)、上层介质基板(1)、第二金属层(4)的多列缝隙单元(6)，所述多列基片波导通过所述缝隙单元(6)向外辐射信号，所述下层介质基板(2)的下表面设置有直流偏置线(12)，所述直流偏置线(12)连接有直流偏置网络(13)。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导可调控阵列天线，其特征在于，所述基片集成波导腔体(7)内设置多列第二金属化通孔(71)，所述第二金属化通孔(71)贯穿所述第一金属层(3)、上层介质基板(1)、第二金属层(4)并与第一金属层(3)、第二金属层(4)形成多列所述基片集成波导。

3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导可调控阵列天线，其特征在于，每个所述缝隙单元(6)中留置有矩形金属片(8)，每个所述矩形金属片(8)的两侧均通过Pin二极管(9)与第一金属层(3)连接，所述Pin二极管(9)在所述矩形金属片(8)两侧对称放置，每个所述矩形金属片(8)中心处设置有贯穿所述上层介质基板(1)和下层介质基板(2)的第三金属化通孔(10)，所述直流偏置线(12)和所述第三金属化通孔(10)相连。

4.根据权利要求3的基于基片集成波导可调控阵列天线，其特征在于，所述第二金属层(4)上还设置有圆形缝隙(17)，所述圆形缝隙的圆心轴与所述矩形金属片上的第三金属化通孔(10)的圆心轴共线。

5.根据权利要求1的基于基片集成波导可调控阵列天线，其特征在于，所述直流偏置线(12)上还设置有扇形结构(14)。

6.根据权利要求1的基于基片集成波导可调控阵列天线，其特征在于，在所述每列基片集成波导的入口端设置有短路销钉(11)，用于调节天线整体的反射系数。

7.根据权利要求1的基于基片集成波导可调控阵列天线，其特征在于，还包括微带匹配线(15)和SMA接头(16)，所述上层介质基板(1)的上表面设置有微带匹配线(15)，用于连接SMA接头(16)。

8.根据权利要求1的基于基片集成波导可调控阵列天线，其特征在于，所述上层介质基板(1)和下层介质基板(2)采用Rogers4350B板材，相对介电常数为3.6。

9.一种终端，其特征在于，包括：

如权利要求1－8任一项所述的天线。

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